不同端口阻抗对SZ参数和时域仿真的影响

不同端口阻抗对S、Z参数和时域仿真的影响说明：针对不同端口阻抗设置对S参数、Z参数和时域仿真的影响，总结一些仿真经验，对时域仿真的影响从实际仿真结果进行分析。关键字：端口阻抗、S参数、Z参数、时域仿真、PowerSI、SystemSI。背景：结合实际项目经验、仿真结果和部分理论知识，论述不同端口阻抗设置对S参数、Z参数和时域仿真的影响，总结一些仿真经验，对时域仿真的影响从实际仿真结果进行分析。一、不同端口阻抗对S参数的影响从S参数的定义上面看：a1a2b1b2[S]回损：插损：反射的定义为γ=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)，走线阻抗和端口匹配了，反射才会减小。从能量守恒的角度看，反射减少了，插损也会增加。端口阻抗对S参数有直接影响。下面使用PowerSI仿真一组DDR走线，走线阻抗50ohm，端口阻抗分别设置为50ohm和5ohm，可以看出，不同的端口阻抗对S参数影响很大。21111011abSa端口反射波端口入射波2221101abSa2端口传输波端口入射波图1：回损结果，绿色为50ohm端口阻抗，紫色为5ohm端口阻抗图2：插损结果，绿色为50ohm端口阻抗，紫色为5ohm端口阻抗从上面的对比结果可以看出，阻抗匹配时，回损和插损比较好。所以在对走线要求高的应用上，比如DDR走线、eMMC走线，阻抗控制在50ohm左右，无源参数会变好。二、不同端口阻抗对Z参数的影响阻抗Z=U/I，对应到两端口网络上：通常称Z11为输入阻抗或者自阻抗，Z12为转移阻抗。阻抗的定义是用端口处的电压和电流的比值得出，和端口的阻抗设置没有关系，是二端口网络自身的特性。使用PowerSI仿真不同端口时的Z参数，结果如下：图3：Z11自阻抗，绿色为50ohm端口阻抗，紫色为5ohm端口阻抗图4：Z12转移阻抗，绿色为50ohm端口阻抗，紫色为5ohm端口阻抗可以看出，两种波形重叠的很好。不过，有些版本的软件在几Hz以下时会有区别，这个应该是不同版本的软件算法有区别或者软件自身的精度问题导致的。同样因为这个原因，用严重阻抗不匹配的端口提取S参数，观察Z参数特性时Z阻抗在个别频点可能也会引入微小的误差，但这种情况很少。在进行PDNAC阻抗仿真时，端口阻抗的设置对Z参数基本没有影响，对搭建全链路仿真交流阻抗也没有影响。三、不同端口阻抗对时域仿真的影响我们在提取USBS参数仿真眼图时，常把端口阻抗设置为50ohm，但USB差分线差分阻抗为90ohm，我们这样做有没有问题？差分阻抗是90欧姆，单端阻抗最可能为45欧姆，那这样用50欧姆端口提取是不是不匹配？我们尝试进行解释：差分阻抗为90ohm，单端阻抗不一定就是45ohm，根据差分线的特性，走线阻抗也可能是50ohm，只要把差分线线间距缩小就可以了；45ohm和50ohm差别很小，这点区别可能对眼图影响不大。第一种涉及到差分线S参数的提取问题，这次不深究，我们可能会更倾向于第二种看法，认为端口阻抗差别不大，影响也不大。那如果端口阻抗设置为5ohm呢？现在用SystemSI观察不同端口阻抗提取的S参数搭建的LPDDR3链路的仿真结果，使用的文件为上面提取的50ohm端口阻抗和5ohm端口阻抗下的S参数：图5：SystemSILPDDR3链路图图6：眼图仿真结果对比，绿色为50ohm端口阻抗，紫色为5ohm端口阻抗图6为采取时钟参考时的波形，可以看出两个波形很接近。如果只查看UI波形，两种情况下的仿真结果会吻合的更好：图7：眼图仿真结果对比，UI模式下，绿色为50ohm端口阻抗，紫色为5ohm端口阻抗从仿真结果上面我们可以看出不同的端口阻抗设置对时域仿真结果影响很小。但到底是影响很小还是一点影响也没有，这个就需要核对软件算法进行确认了。我们可以进行初步的猜测：1、不同的S参数对时域仿真影响很小，但是实际情况是端口归一化提取的S参数不同，时域仿真结果也不同，所以基本上否定这个观点，我们最多可以说高频部分的S参数性能对时域仿真结果影响较小。2、时域仿真使用的是走线自身的特性，和端口阻抗没有关系，类似于Z参数特性。3、时域仿真主要使用走线自身的特性，S参数只是作为影响较小的因素考虑到了其中，所以表现出来的结果是影响不大。回到上面SystemSI的仿真上，两个波形尽管已经很接近了，但还是有区别的，而且UI模式下波形会吻合的更好，这个也是区别。单独看每种情况下的眼宽如下：图8：50ohm端口阻抗，眼宽情况图9：5ohm端口阻抗，眼宽情况从这组图的对比结果上看，更支持第三种观点。但这个其实就有些难理解了，S参数级联是根据归一化端口阻抗提取的S参数变换成A参数，再级联的，但这个和端口阻抗其实是没有必然关系的，不是归一化的端口阻抗提取的S参数，可以变换成归一化端口下的S参数值。我想可能是S参数在时域仿真中出现了不收敛的情况，或者是频域和时域之间的运算有误差造成的。目前的仿真经验是：ADS仿真USB眼图，不同端口阻抗提取的S参数得到的眼图基本没区别；SystemSI使用不同端口阻抗提取信号线得到的眼图影响较小，SystemSI使用不同端口阻抗提取电源线得到的眼图影响较大；HSpice使用不同端口阻抗提取信号线得到的眼图影响很小，HSpice使用不同端口阻抗提取电源线得到的眼图影响较大。对于DDR走线，使用和走线阻抗匹配的端口阻抗值，虽然S参数变好了，但时域仿真结果基本没有影响。对于没有特殊要求的信号线走线，提取S参数进行时域仿真时最好都使用50ohm归一化端口阻抗。从仿真经验上看，提取电源S参数时，端口阻抗最好用0.1ohm，可能是这个比较接近实际的电源阻抗值。